内河LNG加气码头总体布置及装卸工艺研究

缪吉伦，牛军伟，王召兵，周家俞

(重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

内河LNG加气码头总体布置及装卸工艺研究

缪吉伦，牛军伟，王召兵，周家俞

(重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

介绍了我国内河第一座液化天然气（LNG）加气码头的总体布置及装卸工艺。因优良岸线资源匮乏，码头选址位于洛碛水道右岸，边滩宽阔，宽达200余米，码头位于三峡水库回水变动区，水位日变幅最大达7m，通航运行水位差近30m，日变幅及水位差均较大。LNG为超低温易挥发易爆化危品，不能采用普通软管输送。经方案比选，采用架空斜坡道结构，并布置趸船及钢引桥连接，解决了装卸安全性与水位适应性等复杂问题。

液化天然气；码头；平面布置；装卸工艺

1 前言

LNG（液化天然气）是以甲烷为主的液态混合物，储存温度约为-162℃。泄漏后由于地面和空气的加热，生成白色蒸气云，在空气中快速扩散，与空气混合后，体积分数在一定的范围内将会产生爆炸，火灾危险性类别按照我国现行防火设计规范划分为甲A类。

我国拥有各类船舶近4万艘。船舶长期以来一直是我国物流行业能耗和二氧化碳的排放“大户”。据不完全统计，我国2010年河海水运年耗燃油达2500万t左右，其中内河水运消耗900万t。随着国内贸易和内河水路运输的稳定增长，预计船用燃油需求量将保持年均5%的增长率。三峡库区船舶每年所消耗燃油达50万t，产生二氧化硫为0.25～1.5万t。我国是一个人均占有资源相对匮乏的国家，节能减排责任重大。LNG(液化天然气)作为船用燃油的环境效益非常显著，它几乎可以100%减排硫氧化物、没有颗粒、减少85%～90%氮氧化物和15%～20%二氧化碳的排放。同时LNG比石油便宜，价格仅相当于柴油的1/3。它的应用将带来可观的经济效益，天然气储量丰富，目前世界探明的天然气储量，如果加进非传统能源，如页岩气等，可供人类使用250年[1]。

据统计，船舶如果采用柴油/天然气双燃料，则天然气替代柴油率可高达70%左右。目前我国内河还没有已建成投产的船舶加气码头，在长江上游建设内河第一座船舶加气码头，可极大促进天然气在船舶上的应用，降低船舶运输成本，促进地方经济的发展。

2 工程概况

拟建加气码头位于重庆市巴南区麻柳嘴镇，长江滚子角(604km)至鱼鳝溪(602km)航段之间的右岸一侧，与渝北区洛碛镇隔江相望，码头紧临规划中的麻柳港区，上游有重庆主城九龙坡、寸滩、果园和东港等港区，下游有长寿港区，地理位置优越。拟建加气站距麻柳嘴镇约2km，交通十分便利。

工程河段位于长江上游，属典型的山区性河流，河床组成主要为砂卵石及基岩。两岸基岩裸露，分布有较多零星的石盘、石梁及碛坝等，控制着该河段河势。工程河段低水位时河面宽660m左右，高水期河面宽达900m左右。从平面形态上看，左岸下洛碛长且宽深入江心；右岸有确石、金钱罐、五金堆等石梁、石盘纵卧江心，下洛碛为川江著名的浅滩。工程河段又位于三峡水库的变动回水区内，在三峡水库蓄水以后，非汛期工程河段为水深流缓的库区河道，汛期水流急，确石至下迎春石一带流态较坏，主流全年循河心下。

拟定新建1个泊位，泊位前沿设置一个可供3000t（兼顾5000t）级货船停靠加气的专用趸船，岸上布置LNG储罐14个，储量液态LNG2000m3。

根据调查，3000～5000t船舶加注LNG约需1h，则每天能加注12艘货船。每艘加气量18m3（液态），每天LNG加气量为216m3，按330d考虑，一个充装泊位每年加气规模为7.12万m3，折合液态为3.2万t/年。

图1 工程河段河势图

3 总平面布置方案

3.1 设计水位

根据 《长江三峡工程建设期坝前及库区重要城镇分期水位报告》及长江科学院的《三峡水库变动回水区最低通航水位计算分析》的成果，拟建码头设计高水位为181.70m（黄海，二十年一遇）。设计最低通航水位取95%保证率水位151.15m，水位差达30.55m。

3.2 设计船舶尺度

该工程综合考虑麻柳作业区的功能定位和货物流向、长江航道等级、正在营运的干散货船现状以及发展趋势，确定设计代表船型为装有液化天然气/柴油船舶双燃料发动机电控系统的3000t（兼顾5000t）级货船。船型尺度依据《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》确定如表1。

表1 设计船型尺度表

3.3 总平面布置与结构方案

国内外LNG码头均建在沿海港口，因水位变幅小，港池水深富足，多采用直立式结构[2-3]。该工程如采用直立式结构，高水位时码头前沿距岸边约200m，处于高水期船舶航道范围内，影响过往船舶安全，且对行洪影响较大，故不宜采用直立式结构。根据总平面布置的原则，结合港区地形、地质条件、码头运量、水域条件及风向等因素，该工程采用架空斜坡道码头，码头后方陆域布置作业区及生产辅助区（图2）。

（1）港区水域条件

三峡正常蓄水至175m时，该河段水流平缓，水域宽阔，通航条件好。三峡降低水位至145m运行时，该河段为天然状态，因主槽位于河道左岸，码头前沿流速一般在2m左右。根据水文资料分析，3-5月低于156m的时间一般约20d。码头边滩高程一般为152m，水深为3～4m，不能满足5000t级船舶及今后大型化船舶进港加气要求。同时码头位于张金滩边滩，上游有泥鳅石、迎春石等石梁横卧江中，下游有五金堆礁石及中档坝大边滩。为满足码头常年运行加气要求，需对拟建泊位港池进行炸礁清障以满足船舶的回旋和进出。

（2）对通航行洪的影响

拟建码头仅斜坡道和桩墩占据一定的过水面积。二维水流数学模型计算表明，水位壅高区域主要在码头斜坡道桩墩和陆域平台的上、下游附近，最大壅高为5.0cm，其影响范围有限，对工程河段的防洪影响较小。码头修建后，工程河段流速分布、主流线位置都没有发生明显变化，流场变化主要集中在码头斜坡道附近、挡墙前沿局部较小的范围内，对码头作业水流条件基本没有影响。码头的修建不会对该河段的防洪和河势条件产生明显的不利影响，港池和航道冲淤变化不明显。

河演分析表明，拟建工程河段多年来河道洲槽形态变化不大，自然岸线固定，深泓平面摆动较小，河势稳定。三峡建成正常蓄水运用后，工程所在水域无明显累积性泥沙淤积。

（3）结构方案（图2、图3）

图2 总平面布置图（方案一）

图3 纵剖面布置图

方案一：架空斜坡道管道运输方案

采用架空斜坡道结构，斜坡道轴线与陆域坡顶线垂直，斜坡道前沿高程153.77m，后方顶端高程180.88m，坡度1:5.5，水平投影长150m，架空斜坡道宽5.24m，由10跨，跨度为15m的墩台及桩柱组成；其中第1跨采用实体墩台结构；后9跨为桩柱结构，每跨桩由2根直径1.2m钻孔灌注桩组成，桩上现浇盖梁。码头前沿设计底标高为147.80m，需要开挖少量港池。为克服长江水位变化大对加气的影响，在趸船上设置33m×3m的钢引桥。在斜坡道上布置了3根LNG真空不锈钢无缝钢管，一根消防水管DN150，一根电力电缆及一根控制光缆。

斜坡道后方为码头陆域平台，平台长240.0m，宽90m，高程184.0m，陆域平台前沿挡墙为直立结构，挡墙置于基岩或块石基床上。边坡采用预制混凝土六角块护坡。码头陆域主要布置

生产区和生产辅助区。生产区包括LNG储罐区、LNG工艺区、CNG装卸区、放散管、地中衡、门卫。生产辅助区：包括生产辅助用房、消防水池、室外箱式变电站。

方案二：架空斜坡道缆车方案

码头采用架空斜坡道结构，斜坡道轴线与陆域坡顶线垂直，斜坡道前沿高程151.0m，后方顶端高程182.90m，坡度1: 5.8，水平投影长185m，架空斜坡道宽5.24m，由11跨跨度为15m的架空结构及20m的实体斜坡道组成，架空结构每跨桩由2根直径120cm钻孔灌注桩组成，桩上现浇盖梁。码头前沿设计底标高为147.80m，需要开挖少量港池。

码头的陆域布置与方案一基本相同。需增加装卸槽车场地以及在斜坡道上游侧布置一卷扬机绞车房。

4 装卸工艺

工程河段受三峡回水影响，处于变动回水区内，汛期水位日变幅大，汛期日变幅达7m。LNG为超低温液态易挥发。因此，装卸工艺必须能适应水位变化，尽量避免趸船频繁移位，以减少BOG泄漏量。提出两个装卸工艺方案。

方案一采用沿架空斜坡道铺设LNG管道，通过钢引桥接至趸船加气机，通过加气机及装卸设施给货船加气。工程流程为：LNG储罐⇒架空斜坡道管道⇒趸船加气机⇒货船。

架空斜坡道上的工艺管路按每15m设置分段截止阀，截止阀前设支管，支管设分截止阀；在主管截止阀后设氮气充入阀。架空斜坡道缆车上设置LNG、BOG工艺管道，两端为真空软管与主管和支管相连。当河道水位变化需移动趸船时，先关闭上一级主管截止阀，氮气通过其后充气阀注入，将液态LNG通过软管顶入船上LNG杜瓦瓶内，LNG排完后，拆除LNG管道，移动斜架车和趸船，然后将软管接入上一级支管。LNG充入杜瓦瓶后，通过BOG管段输送到岸上处理。

方案二采用槽车储装LNG，通过缆车将槽车拖放至趸船处，将槽车LNG卸至趸船上储气罐，再由储气罐通过加气机及加气设备给货船加气。工艺流程为：LNG槽车⇒缆车⇒沿架空斜坡道下行⇒趸船储罐⇒加气机⇒货船。

推荐方案工艺见图4，两方案综合比选见表2。

表2 方案综合比选表

经综合比较，考虑水位适应性，结合工艺、水工结构分析，推荐采用方案一。

5 结论

节能减排战略和能源多元化战略的实施，液化天然气这种清洁能源作为未来石油的燃料的代替能源，必然在船舶上广泛使用，但目前在三峡库区内还没有一家船舶加气码头。

关于LNG加注码头设计尚无规范可供参考，本文介绍了我国内河第一座LNG加气码头的建设方案。该码头具有宽边滩、大落差、水位日变幅大等特点，且要满足LNG安全输送、泄漏损失少、装卸效率高、不碍航行洪等要求，设计难度大。设计采用架空斜坡道及趸船钢引桥结构，成功解决了长江上游山区河流LNG船舶加气的难题，可供其它设计建设单位借鉴。

图4 装卸工艺图

[1]缪吉伦，王召兵，齐艳萍，等.重庆港主城港区麻柳作业区液化天然气加气码头工程可行性研究[R].重庆西科水运工程咨询中心，2013.

[2]缪吉伦，张绪进，王召兵.山区河流重大件码头装卸工艺设计研究 [J].水运工程，2009：80-84.

[3]韩理安.港口水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2011：185-190.

责任编辑：孙苏

Study on Plane Layout and Handling Technology of LNG-adding Wharf in Neihe

The plane layout and handling technology of the first LNG-adding wharf in Neihe is introduced.For lack of good coastline resource,the wharf is located at the right bank of Luoqi with a wide bank of over 200 meters.The wharf is within the backwater fluctuation area of the Three Gorges reservoir,the daily amplitude of water level is up to 7 meters and the navigation difference is nearly 30 meters,so daily amplitude and water level difference are huge.LNG is volatile and explosive,so it cannot be transported through flexible pipe.After comparison,overhead ramp structure is applied and wharf boat and steel approach bridge are used for connection,thus,the complex problems of handling safety and water level adaptation are resolved.

LNG;wharf;plane layout;handling technology

X505

C

：1671-9107（2013）12-0044-03

2013-10-24

缪吉伦（1971-），男，四川阆中人，博士，高级工程师，主要从事水运工程结构设计研究。

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.12.044